三相电能计量芯片外围电路及编程

多功能防窃电基波谐波三相电能 专用计量芯片 ATT7022B
ATT7022B 用户手册
Date: 2005-03-28 Rev: 1.04
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多功能防窃电基波谐波三相电能 专用计量芯片 ATT7022B
目
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第一部分 芯片介绍 1.1 芯片特性 1.2 功能简介 1.3 内部框图 1.4 引脚定义 1.5 应用示意图 第二部分 系统功能 2.1 电源监控电路 2.2 系统复位 2.3 模数转换 2.4 有功功率测量 2.5 有功能量测量 2.6 无功功率测量 2.7 无功能量测量 2.8 视在功率测量 2.9 视在能量测量 2.10 电压有效值测量 2.11 电流有效值测量 2.12 电压线频率测量 2.13 功率因数测量 2.14 电压电流相角测量 2.15 电压夹角测量 2.16 电压相序检测 2.17 电流相序检测 2.18 起动潜动设置 2.19 功率方向判断 2.20 失压检测 2.21 硬件端口检测 2.22 片上温度检测 2.23 基波谐波测量功能 2.24 三相三线与三相四线应用 2.25 能量脉冲输出 2.26 参数输出寄存器定义 2.27 参数输出寄存器说明 第三部分 校表方法 3.1 软件校表 3.2 校表寄存器定义 3.3 校表寄存器说明 3.4 校表步骤及参数计算
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多功能防窃电基波谐波三相电能 专用计量芯片 ATT7022B 第四部分 SPI 通讯接口 4.1 SPI 通讯接口介绍 4.2 SPI 读操作 4.3 SPI 写操作 4.4 SPI 写特殊命令操作 第五部分 电气特性 5.1 电气参数 5.2 芯片封装
43 44 45 46 48 49
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第一部分 芯片介绍
1.1 芯片特性 高精度 在输入动态工作范围(1000:1)内 非线性测量误差小于 0.1% 有功测量满足 0.2S 0.5S 支持 IEC 62053-22 GB/T 17883-1998 无功测量满足 2 级 3 级 支持 IEC 62053-23 GB/T 17882-1999 提供基波 谐波电能以及总电能测量功能 提供视在电能测量功能 提供正向和反向有功/无功电能数据 提供有功 无功 视在功率参数 提供功率因数 相角 线频率参数 提供电压和电流有效值参数,有效值精度优于 0.5% 提供电压相序检测功能 提供电流相序检测功能 提供三相电流矢量和之有效值输出 提供三相电压矢量和之有效值输出 提供电压夹角测量功能 提供失压判断功能 具有反向功率指示 提供有功 无功 视在校表脉冲输出 提供基波有功 基波无功校表脉冲输出 合相能量绝对值相加与代数相加可选 内置温度测量传感器 电表常数可调 起动电流可调 可准确测量到含 21 次谐波的有功 无功和视在功率 支持增益和相位补偿 小电流非线性补偿 具有 SPI 接口 方便与外部 MCU 通讯 适用于三相三线和三相四线模式 采用 QFP44 封装 单+5V 供电

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1.2 功能简介 ATT7022B 是一颗高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线应用 ATT7022B 集成了六路二阶 sigma-delta ADC 参考电压电路以及所有功率 能量 有效 值 功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路 ATT7022B 能够测量各相以及合相的有功功率 无功功率 视在功率 有功能量以及无 功能量 同时还能测量各相电流 电压有效值 功率因数 相角 频率等参数 充分满足三 相复费率多功能电能表的需求 详细数据定义请参考 2.26 参数输出部分 ATT7022B 支持全数字域的增益 相位校正 即纯软件校表 有功 无功电能脉冲输出 CF1 CF2 提供瞬时有功 无功功率信息 可以直接接到标准表 进行误差校正 详细校表 方法请参考第三部分校表方法 ATT7022B 可以对基波有功 无功功率进行测量 提供脉冲输出 CF3 和 CF4 提供瞬时基 波有功功率以及基波无功功率信息 可直接用于基波的校正 ATT7022B 提供两类视在能量输出 RMS 视在能量以及 PQS 视在能量 CF3 和 CF4 也可被 配置为视在能量脉冲输出 ATT7022B 提供一个 SPI 接口 方便与外部 MCU 之间进行计量参数以及校表参数的传递 SPI 具体规格参见后面第四部分的详细说明 所有计量参数都可以通过 SPI 接口读出 ATT7022B 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作 1.3 内部框图
OSCO OSCI SEL SIG RESET
时钟控制电路 有功功率 V1P V1N V3P V3N V5P V5N V2P V2N V4P V4N V6P V6N V7P V7N 脉冲生成器 无功功率 电流 ADC 视在功率 电压有效值 电压 ADC 模拟信号 采样
CF1 CF2 CF3 CF4 Revp DOUT 电流有效值 功率因数 CS 频率测量 SPI 通讯接口 DIN SCLK
温度 传感器
参考 电压
数字信号处理 DSP
电源管理
VCC AVCC VDD
ATT7022B 框图
REFOUT REFCAP GND AGND
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1.4 引脚定义
G N D O S C O O S C I V C C R E V P V D D D O U T S D C I L N K C S V C C
44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34
RESET 1 SIG V1P V1N
2 3 4
33 VDD 32 NC 31 CF4 30 CF3 29 NC 28 CF2 27 CF1
REFCAP 5 V3P 6 V3N AGND V5P
7 8 9
ATT7022B
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
26 SEL 25
NC
V5N 10 REFOUT 11
24 TEST 23 GND
A V C C
V V 2 2 P N
A V V G 4 4 N P N D
A V C C
V 6 P
V 6 N
V 7 P
V 7 N
引脚 1 2
标识 RESET SIG
特性 输入 输出
功能描述 ATT7022B 复位管脚 低电平有效 内部有 47K 上拉 电阻 ATT7022B 上电复位或者异常原因重新启动时 SIG 将变为低电平 当外部 MCU 通过 SPI 写入较表数据 后 SIG 将立即变为高电平 A 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动输入 方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引脚 内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 基准 2.4V 可以外接 该引脚应使用 10 F 电容并 联 0.1uF 电容进行去耦 B 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动输入 方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引脚 内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 模拟电路(即 ADC 和基准源)的接地参考点 C 相电流信道正 负模拟输入引脚 完全差动输入 方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引脚 内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 基准电压输出 用作外部信号的直流偏置 该引脚提供 ATT7022B 模拟电路的电源 正常工作电 源电压应保持在 5V 5% 为使电源的纹波和噪声减 小至最低程度 该引脚应使用 10 F 电容并联 0.1uF
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3,4
V1P/V1N
输入
5 6,7
REFCAP V3P/V3N
输出 输入
8 9,10
AGND V5P/V5N
电源 输入
11 12
REFOUT AVCC
输出 电源
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电容进行去耦 13,14 V2P/V2N 输入 A 相电压信道的正 负模拟输入引脚 完全差动输 入方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引 脚内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 模拟电路(即 ADC 和基准源)的接地参考点 B 相电压信道的正 负模拟输入引脚 完全差动输 入方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引 脚内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 该引脚提供 ATT7022B 模拟电路的电源 正常工作电 源电压应保持在 5V 5% 为使电源的纹波和噪声减 小至最低程度 该引脚应使用 10 F 电容并联 0.1uF 电容进行去耦 C 相电压信道的正 负模拟输入引脚 完全差动输 入方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引 脚内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 第七路 ADC 的正 负模拟输入引脚 完全差动输入 方式 正常工作最大输入 Vpp 为 1.5V 两个引脚 内部都有 ESD 保护电路,最大承受电压为 6V 数字地引脚 测试管脚 正常应用接地 内有 47K 下拉电阻 不连接 三相三线低电平 三相四线高电平选择 内部 300K 上拉电阻 有功电能脉冲输出 其频率反映合相平均有功功率 的大小 常用于仪表有功功率的校验 也可以用作 有功电能计量 无功电能脉冲输出 其频率反映合相平均无功功率 的大小 常用于仪表无功功率的校验 也可以用作 无功电能计量 不连接 CF3 基波有功电能脉冲输出 其频率反映基波的合 相平均有功功率的大小 常用于仪表基波有功功率 的校验 也可以用作基波有功电能计量 CF3 也可配置为 RMS 视在电能脉冲输出 CF4 基波无功电能脉冲输出 其频率反映基波的合 相平均无功功率的大小 常用于仪表基波无功功率 的校验 也可以用作基波无功电能计量 CF4 也可配置为 PQS 视在电能脉冲输出 不连接 内核电源 输 出 3.0V 外接 10 F 电容并联 0.1uF 电容进行去耦 数字电源引脚 正常工作电源电压应保持在 5V
15 16,17
AGND V4P/V4N
电源 输入
18
AVCC
电源
19,20
V6P/V6N
输入
21,22
V7P/V7N
输入
23 24 25 26 27
GND TEST NC SEL CF1
电源 输入 --输入 输出
28
CF2
输出
29 30
NC CF3
--输出
31
CF4
输出
32 33 34
NC VDD VCC
--电源 电源
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5% 该引脚应使用 10 F 电容并联 0.1uF 电容进行 去耦 35 36 37 38 39 40 CS SCLK DIN DOUT VDD REVP 输入 输入 输入 输出 电源 输出 SPI 片选信号 低电平有效 内部上拉 200K 电阻 SPI 串行时钟输入 施密特 注意 上升沿放数据 下降沿取数据 SPI 串行数据输入 SPI 串行数据输出 施密特 内部下拉 200K 电阻 CS 为高时高阻输出
内核电源 输 出 3.0V 外接 10 F 电容并联 0.1uF 电容进行去耦 当检测到任意一相的有功功率为负时 输出高电平 当检测到各相有功功率都为正时 该引脚的输出又 将复位到低电平 数字电源引脚 正常工作电源电压应保持在 5V 5% 该引脚应使用 10 F 电容并联 0.1uF 电容进行 去耦 系统晶振的输入端 或是外灌系统时钟输入 晶振频率为 24.576MHz 晶振的输出端 数字地引脚
41
VCC
电源
42 43 44 1.5 应用示意图
OSCI OSCO GND
输入 输出 电源
/RST
11 Refout 1.2K 10K 3 C1 1.2K C2 1.2K 10K 13 V2P 10K 10K 4 V1N V1P
SIG RESET SPI接口
IA
R
单片机
UA
C3 1.2K C4 14
IB
与A相接线相同
UB IC
与A相接线相同
ATT7022B V2N 高精度 多功能 防窃电 基波谐波 三相电能 专用计量芯片
CF1 CF2 CF3 CF4
通讯模块 LCD显示模块 EEPROM
UC OSCO 24.576MHz 图1-5-1 ATT7022B典型应用图
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OSCI
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第二部分 系统功能
2.1 电源监控电路 ATT7022B 片内包含一个电源监控电路 连续对模拟电源 AVcc 进行监控 当电源电压低于 4V 5%时 芯片将被复 位 这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作 电源监控电路被安排在延时和滤波环节中 这在最大程度上防 止了由电源噪声引发的错误 如图 2-1 所示 为保证芯片正常 工作应对电源去耦 使 AVcc 的波动不超过 5V 5%
AVCC 5V 4V
0V 时间 内部复位 复位 运行 复位
图2-1-1 片内电源监控特性
2.2 系统复位 ATT7022B 提供两种复位方式 硬件复位和软件复位 硬件复位通过外部引脚 RESET 完成 RESET 引脚内部有 47K 电阻上拉 所以正常工 作时为高电平 当 RESET 出现大于 20us 的低电平时 ATT7022B 进入复位状态 当 RESET 变为高电平时 ATT7022B 将从复位状态进入正常工作状态 软件复位通过 SPI 口完成 当往 SPI 口写入 0xD3 命令后 系统进行一次复位 复位之 后 ATT7022B 从初始状态开始运行 ATT7022B 在复位状态下 SIG 为高电平 当 ATT7022B 从复位到工作状态之后 大约经 过 500us 左右 SIG 将从高电平变为低电平 此时芯片开始进入正常工作状态 方可写入校 表数据 一旦写入校表数据之后 SIG 又会立刻变为高电平
t1>=20us t2<20us
Reset输入脚
t5<5us
SPI操作 SPI 无写操作 0xD3 SPI 无写操作 SPI写校表数据
t4<100us ATT7022内部复位RST t3<500us t6<500us t7<5us
SIG信号
SFlag.7
图2-2-1 ATT7022B系统复位
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2.3 模数转换 ATT7022B 片内集成了 7 路 16 位的 ADC 采用双端差分信号输入 输入最大的正弦信号 有效值是 1v 建议将电压通道 Un 对应到 ADC 的输入选在 0.5v 左右 而电流通道 Ib 时的 ADC 输入选在 0.1v 左右 参考电压 Refcap 与 Refout 典型值是 2.4v ATT7022B 内部 ADC 系统框图
V1P V1N V2P V2N V3P V3N V4P V4N V5P V5N V6P V6N V7P V7N PGA7 SIGMA-DELTA MODULATOR 参考电压 DECIMATION FILTER FIR FILTER 温度传感器 图2-3-1 ADC内部电路框图 PGA6 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER ADC PGA5 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER PGA4 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER 寄存器输出 PGA3 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER PGA2 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER PGA1 SIGMA-DELTA MODULATOR DECIMATION FILTER FIR FILTER
ADC 前端典型接线图
REFOUT 1.5(6)A/5mA 电流 输入 20 1.2K 220V/0.5V 电压 输入 1.2K 10nF 1.2K 10nF
图2-3-2 典型接线图
1.2K
10K V1P 10nF 10K 10nF V1N 10K V2P 10K V2N
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2.4 有功功率测量 各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流 电压信号进行乘法 加法 数字滤波等 一系列数字信号处理后得到的 电压 电流采样数据中包含高达 21 次的谐波信息 所以依 据公式 P= 1
∑U (n) I (n) 计算得到的有功功率也至少包含 21 次谐波信息 有功功率的测量原 N
N n =0
理图如下图所示
合相有功功率 Pt=Pa+Pb+Pc
功率增益校正
电压采样值
高通滤波器 Epa 能量计算
电流采样值
高通滤波器
相位校正 功率计算 图2-4-1 有功功率测量
Pa 合相有功功率:Pt=Pa+Pb+Pc
2.5 有功能量测量 有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到 单相有功能量的计算公式为
Ep = ∫ p(t )dt
代数加模式
合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加 Ept=Epa+Epb+Epc 而绝对值加模式 Ept=|Epa|+|Epb|+|Epc| 如图所示
能量累加模式 代数加或者绝对值加 Ept=Epa+Epb+Epc 或者 Ept=|Epa|+|Epb|+|Epc|
Pa Pb Pc
能量计算 能量计算 能量计算
Epa Epb Epc
脉冲生成器
CF1 Ept
图2-5-1 有功能量测量
2.6 无功功率测量 根据真无功功率(正弦式无功功率)定义公式 无功功率 Q =
∑U
n =1
∞
n n
I sin( )
无功功率计量
算法与有功类似 只是电压信号采用移相 90 度之后的 测量带宽主要受到数字移相滤波器 的带宽限制 ATT7022B 无功功率的测量带宽也可高达 21 次谐波
功率增益校正 高通滤波器 90移相滤波器 Eqa 能量计算 电流采样值 高通滤波器 相位校正 功率计算 图2-6-1 无功功率测量 合相无功功率:Qt=Qa+Qb+Qc Qa
电压采样值
ATT7022B 采用的数字 90移相滤波器具有优越的频率响应特性 如图所示 它是幅频 特性为 1 频带范围内的所有频率成分进行-90°相移的线性滤波器 所以即使对于相当高次 谐波无功功率的测量 也能获得很高的测量准确度
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图2-6-2 90移相滤波器频率特性
特别提示 对无功功率进行检定时 必须确保用于检测的标准表的无功功率算法与 ATT7022B 的无功功率算法相同 否则会由于无功功率的算法原理不同而产生一定的误差 特别是在检定谐波下的无功功率时误差更大 2.7 无功能量测量 无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到 单相无功能量的计算公式为
Eq = ∫ q(t )dt
代数加模式
合相无功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加 Eqt=Eqa+Eqb+Eqc 而绝对值加模式 Eqt=|Eqa|+|Eqb|+|Eqc| 如图所示
能量累加模式 代数加或者绝对值加 Eqt=Eqa+Eqb+Eqc 或者 Eqt=|Eqa|+|Eqb|+|Eqc|
Qa Qb Qc
能量计算 能量计算 能量计算
Eqa Eqb Eqc
脉冲生成器
CF2 Eqt
图2-7-1 无功能量测量
2.8 视在功率测量 视在功率有两类计算公式 PQS 视在功率公式一
S = P2 + Q2
RMS 视在功率公式二 S=Urms*Irms 由于 ATT7022B 可以直接提供电流和电压的有效值 RMS 视在功率公式二可以在外部 MCU 很方便地实现 所以 ATT7022B 仅提供采用 PQS 视在功率公式一实现的视在功率值 如下图所示
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Pa Esa 开平方 Qa 功率计算 图2-8-1 视在功率测量 Sa 能量计算
对于合相视在功率 ATT7022B 按照公式一 根据合相有功功率和合相无功功率计算得 到 如下图所示
Pt St
开平方 Qt
功率计算
图2-8-2 合相视在功率测量
2.9 视在能量测量 视在能量定义视在功率对时间的积分 由于视在功率存在两类计算公式 所以 ATT7022B 提供这两类的视在能量 按照公式一计算 PQS 视在能量 如下图所示 公式一合相 PQS 视在能量脉冲通过 CF4 输出
Est
Pt
开平方 Qt
能量计算
脉冲生 成器
CF4
图2-9-1 合相视在能量测量
按照公式二计算 RMS 视在能量 如下图所示 公式二合相 RMS 视在能量脉冲通过 CF3 输出
URmsa IRmsa URmsb IRmsb URmsc IRmsc 能量计量 Es2b 能量计量 图2-9-2 视在能量测量 Es2a 能量计量 Es2t
脉冲生成器
CF3 Es2c
2.10 电压有效值测量 通过对电压采样值进行平方 开方以及数字滤波等一系列运算得到 1000mv 到 10mv 的信号时电压有效值的误差小于 0.5%
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电压通道输入
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电压采样值 高通滤波器 数字滤波器 开平方
URmsa
图2-10-1 电压有效值测量
2.11 电流有效值测量 通过对电流采样值进行平方 开方以及数字滤波等一系列运算得到 1000mv 到 2mv 的信号时电流有效值的误差小于 0.5%
电流通道输入
电流采样值 高通滤波器 数字滤波器 开平方
IRmsa
图2-11-1 电流有效值测量
2.12 电压线频率测量 ATT7022B 可以直接输出电压频率参数 ATT7022B 可以自动选择 A/B/C 三相中的任意 一相电压为电压频率测量的基准 可测量的电压线频率范围为 10Hz 500Hz 2.13 功率因数测量 功率因数计算公式
Pf=sign(Q) ×
abs( P ) abs( S )
功率因数的符号由无功功率的符号来确定 2.14 电压电流相角测量 根据电工原理 功率因数 Pf=cos(Pg) 其中 Pg 为电压与电流的相角 在 ATT7022B 中 定 义 电 压 与 电 流 的 相 角 为 Pg= 根据这一方法 ATT7022B 同时可以提供由合相功率因数折 算为合相相角参数 也 就 是 Pgt=
Q
sign(Q)*acos(|Pf|)
P- Q+ Pg>=0 a = 180-Pg P- QPg<0 a = 180-Pg
P+ Q+ Pg>=0 a = Pg P+ QPg<0 a = 360+Pg
P
sign(Q)*acos(|Pft|)
ATT7022B 相角 Pg 只能表示为 90° 符 号与功率因数一致 如果要用 0° 360°表示 在不同的象限相角 需要做如下转换即可 当有功功率为正时 无功功率为正 实 际相角就是是 Pg 当有功功率为正时 无功功率为负 实 际相角是 360°+Pg 当有功功率为负时 实际角度是 180°-Pg
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图2-14-1 电压电流相角计算
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2.15 电压夹角测量 ATT7022B 电压夹角测量分辨率在 5 度左右 提供三个寄存器 YUaUb YUaUc YUbUc 分别表示 AB/AC/BC 电压的夹角 数据更新时间为 1/3 秒左右 特别提示 电压夹角测量功能需要通过电压夹角测量使能控制寄存器 EnUAngle 将其开 启 否则不能进行电压夹角测量 注意 客户在需要输出电压夹角时才将这个功能开启 在 不需要电压夹角测量时尽量将其关闭 2.16 电压相序检测 ATT7022B 可以对电压的相序进行检测 三相四线与三相三线模式的电压相序检测依据 不完全一样 三相四线模式下电压相序检测按照 A/B/C 三相电压的过零点顺序进行判断 电压相序 正确的依据是当 A 相电压过零之后 B 相电压过零 然后才是 C 相电压过零 否则电压错 序 另外只要当 A/B/C 三相电压中任何一相没有电压输入时 ATT7022B 也认为是电压错序 三相三线模式下电压相序检测按照 A 相电压与 C 相电压的夹角进行判断 当 A 相电压 与 C 相电压的夹角在 300 度左右时 才认为电压相序正常 否则判断电压出现错序 电压相序的标志存放于状态标志寄存器 SFlag 中 SFlag 的 Bit3 为 1 表示 A/B/C 电压出 现错序 SFlag 的 Bit3 为 0 表示 A/B/C 电压相序正确 2.17 电流相序检测 ATT7022B 可以对电流的相序进行检测 电流相序检测按照 A/B/C 三相电流的过零点顺 序进行判断 电流相序正确的依据是当 A 相电流过零之后 B 相电流过零 然后才是 C 相 电流过零 否则电流错序 另外只要当 A/B/C 三相电流中任何一相电流丢失 ATT7022B 也 认为是电流错序 电流相序的标志存放于状态标志寄存器 SFlag 中 SFlag 的 Bit4 为 1 表示 A/B/C 电流出 现错序 SFlag 的 Bit4 为 0 表示 A/B/C 电流相序正确 特别提示 电流相序检测功能需要通过相序检测使能控制寄存器 EnDtIorder 将其开启 否则不能对电流相序进行检测 注意 客户在需要对电流相序进行检测时才将这个功能开启 在不检测电流相序时请尽量将其关闭 2.18 起动潜动设置 ATT7022B 通 过 判 断 电 流 是 否 小 于 起 动 阈 值 实 现 能 量 计 量 的 起 动 和 潜 动 的 当 ATT7022B 检测到某相电流大于起动阈值时 该相能量就开始计量 也就是可以起动 而将 测到某相电流小于起动阈值时 该相能量停止计量 也就是处于潜动状态 ATT7022B 起动电流阈值寄存器 Istartup 在上电复位后默认为 0x000280 表示在额定电 流 Ib 输入时采样信号为 100mv 左右的输入时 ATT7022B 可以在 0.1%实现起动 低于 0.08% 时实现潜动 2.19 功率方向判断 ATT7022B 实时提供功率的方向指示 方便实现四象限功率计量 负功率指示 REVP 当检测到三相中任意一相的有功功率为负 则 REVP 输出高电平 直到下次检测到所有相的有功功率都为正时 REVP 才恢复为低电平 功率方向指示寄存器 PFlag 用于指示 A/B/C/合相的有功以及无功功率的方向 Bit0-3 分别表示 A B C 合相的有功功率的方向 0 表示为正 1 表示为负 Bit4-7 分别表示 A B C 合相的无功功率的方向 0 表示为正 1 表示为负 2.20 失压检测 ATT7022B 可以根据设定的阈值电压对 A/B/C 三相电压是否失压进行判断 阈值电压可以通过失压阈值设置寄存器 FailVoltage 进行设定 ATT7022B 上电复位后失 压阈值设置会根据当前选择的工作模式(三相三线/三相四线)默认设置为不同的参数 在不对
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电压有效值进行校正时三相四线模式的失压阈值在电压通道输入 50mv 左右 而三相三线模 式的失压阈值在电压通道输入 300mv 左右 如果对电压有效值进行了校正 则必须重新设 定失压阈值设置寄存器 FailVoltage 设置方法参考失压阈值设定部分 失压状态可以通过状态标志寄存器 Sflag 进行表示 状态标志寄存器 SFlag 的 Bit0/1/2=1 时分别表示 A/B/C 三相电压低于设定的阈值电压 当 A/B/C 三相电压高于设定的阈值电压时 Bit0/1/2=0 2.21 硬件端口检测 ATT7022B 可以自动检测硬件端口 当硬件端口改变时系统将自动复位重新起动 ATT7022B 外部端口输入主要有 SEL 2.22 片上温度检测 ATT7022B 内建温度传感器 并提供一个 8 位的 ADC 对温度进行采样输出 分辨率在 1 左右 2.23 基波谐波测量功能 ATT7022B 专门提供基波以及谐波电能测量功能 ATT7022B 可以将电压和电流信号中 的基波成分以及谐波成分进行分离 直接提供精确的基波功率以及基波电能的计量 也可以 提供谐波功率和谐波电能的准确计量 基波表功能介绍 基波测量使能控制寄存器 EnLineFreq=0x007812 基波测量与谐波测量切换选择寄 存器 EnHarmonic 0x0055AA 时 选择基波表模式 此时 CF3/CF4 分别输出基波有功 脉冲和基波无功脉冲
电压通道 ADC采样数据 数字高通 滤波器 U(n) 90 移相 滤波器 UT(n) CF2 无功能量测量
电流通道 ADC采样数据 数字高通 滤波器
CF1 I(n) 有功能量测量
EnLineFreq寄存器 (Addr:0x2D)
U(n) I(n) UT(n)
U1(n) 基波抽取滤波 I1(n) 和 基波抑制滤波 UT1(n)
基波/谐波 有功能量测量 基波/谐波 无功能量测量
CF3
CF4
EnHarmonic寄存器 (Addr:0x3C) 图2-23-1 基波/谐波能量测量
基波抽取滤波器和基波抑制器完成基波或者谐波测量功能 其中基波抽取滤波器对
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高于 3 次(150Hz)以上的谐波信号进行衰减 仅保留基波成分 谐波衰减率在-30dB 以 上 基波抑制器对基波信号进行衰减 仅保留谐波成分 基波衰减率在-30dB 以上 基波有功功率 基波无功功率 基波视在功率 基波相角 基波功率因数以及基波 电 压 等 参 数 可 以 通 过 基 波 电 压 功 率 输 出 选 择 寄 存 器 SelectPQSU 进 行 选 择 当 SelectPQSU=0x001228 时 原来相应功率 电压 相位 相角等寄存器将输出基波参数 SelectPQSU 0x001228 时相应功率 电压 相位 相角等寄存器保持原有功能不变
U(n) I(n) UT(n) 电压有效值/ 有功功率/无 功功率/视在 功率/功率因 数/相角测量 基波+谐波 基波/谐波 电压有效值 U (Addr:0x0D/0E/0F/2B) 有功功率 P (Addr:0x01/02/03/04) 无功功率 Q (Addr:0x05/06/07/08) 视在功率 S (Addr:0x09/0A/0B/0C) 功率因数 Pf (Addr:0x14/15/16/17) 相角 Pg (Addr:0x18/19/1A/1B)
U1(n) I1(n) UT1(n)
SelectPQS寄存器 (Addr:0x2F) 图2-23-2 基波/谐波电压有效值/功率/功率因数测量
基波功率可以通过基波功率校正 LineFreqPg 寄存器完成 具体校正方法请参考基 波校正部分 基波电流有效值可以通过基波视在功率和基波电压有效值计算得到 根据公式 基波电压有效值 U1 基波电流有效值 I1 基波电流电压夹角 1 基波有功功率 P1=U1*I1*cos( 1) 基波无功功率 Q1=U1*I1*sin( ) 基波视在功率 S1 = P12 + Q12 = (U 1 * I 1 * cos(φ ))2 + (U 1 * I 1 * sin(φ ))2 = U 1 * I 1 所以基波电流有效值 I1=S1/U1 谐波表功能介绍 基波测量使能控制寄存器 EnLineFreq=0x007812 基波测量与谐波测量切换选择寄 存器 EnHarmonic=0x0055AA 时 选择谐波表模式 此时 CF3/CF4 分别输出谐波有功脉 冲和谐波无功脉冲 基波表的相应参数同时也变为谐波表的参数 包括基波能量寄存器 将变为谐波能量寄存器 基波功率/电压也同时变为谐波功率/电压
特别提示 基波谐波测量功能需要通过基波测量使能控制寄存器 EnLineFreq 将其开启 否则不能对基波谐波测量 注意 客户在需要对基波谐波测量时才将这个功能开启 在不需 要基波谐波测量时请尽量将其关闭
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2.24 三相三线与三相四线应用 ATT7022B 三相四线模式下采用三元件测量方法 合相功率计算公式为
P4=U A I A + U B I B + U C I C Q4=U A I A ∠90° + U B I B ∠90° + U C I C ∠90° S4= P4 + Q4
2 2
而 ATT7022B 在三相三线模式下采用两元件测量方法
合相功率计算公式为
P3=U AB I A + U CB I C Q3=U AB I A ∠90° + U CB I C ∠90° S3= P3 + Q3
2 2
在三相三线模式下 ATT7022B 的 B 相通道不参加功率计量的 只有 A 相和 C 相通道参 与三相三线的测量 但是 ATT7022B 可以将 B 通道的参数单独放出 只要在 B 通道的电压 与电流通道上加入相应信号 在三相三线模式下仍可读取 Pb/Qb/Sb/URmsb/IRmsb/Pfb/Pgb 参数 但是 B 通道的电压与电流通道上所加的信号不会对三相三线的正常测量产生不良影 响 2.25 能量脉冲输出 ATT7022B 提供四个高频脉冲输出 CF1/2/3/4 下面是电能脉冲信号生成的过程框图
电压 U 有功功率测量
有功功率 P
Fout_P 能量脉冲生成器 CF1分频器
CF1
无功功率测量
无功功率 Q
Fout_Q 能量脉冲生成器 CF2分频器
CF2
基波有功 功率测量
基波有功 Po
Fout_Po 能量脉冲生成器 CF3分频器
CF3
基波无功 功率测量 电流 I
基波无功 Qo
Fout_Qo 能量脉冲生成器 CF4分频器
CF4
图2-25-1 能量脉冲输出
电压 电流信号经变换后在功率测量信号处理电路中相乘得到瞬时功率 对时间积分后 成为电能信号 根据设置将 A/B/C 三相电能做绝对值相加或代数值相加运算 并将结果变 换为频率信号 然后按照用户设定的分频系数进行分频 得到可用于校表的电能脉冲输出信 号 在此基础上 再次分频可得到用于驱动步进电机的低频脉冲信号 下图是高频输出常数为 64 时的分频示意图 电能脉冲输出的脉宽为 90 毫秒 当脉冲周 期小于 180 毫秒时 电能脉冲以占空比为 1 1 的等宽脉冲输出
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HFreq=64
Fout t1
t2=64 * t1
CF1
t2=90ms 图2-25-2 CF脉冲输出时序
2.26 参数输出寄存器定义 计量参数输出寄存器列表 地址 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D 0x0E 0x0F 0x10 0x11 0x12 0x13 名称 RESERVED r_Pa r_Pb r_Pc r_Pt r_Qa r_Qb r_Qc r_Qt r_Sa r_Sb r_Sc r_St r_URmsa r_URmsb r_URmsc r_IRmsa r_IRmsb r_IRmsc r_IRmst 复位值 -----------------------------------------------------------------0x000000 0x000000 0x000000 --------------------功能描述 Reserved. A 相有功功率 B 相有功功率 C 相有功功率 合相有功功率 A 相无功功率 B 相无功功率 C 相无功功率 合相无功功率 A 相视在功率 B 相视在功率 C 相视在功率 合相视在功率 A 相电压有效值 B 相电压有效值 C 相电压有效值 A 相电流有效值 B 相电流有效值 C 相电流有效值 ABC 相电流矢量和的有效值 计算公式 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 r_Pfa r_Pfb r_Pfc r_Pft r_Pga r_Pgb ------------------------------Irms=
1 T
∫
T
0
(ia + ib + ic) 2 dt
A 相功率因数 B 相功率因数 C 相功率因数 合相功率因数 A 相电流与电压相角 B 相电流与电压相角
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0x1A 0x1B 0x1C 0x1D 0x1E 0x1F 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24 0x25 0x26 0x27 0x28 0x29 0x2A 0x2B r_Pgc r_Pgt r_Freq RESERVED r_Epa r_Epb r_Epc r_Eqt r_Eqa r_Eqb r_Eqc r_Eqt RESERVED RESERVED r_RSPIData r_RmsADC7 r_TempD r_URmst ----------0x000000 -----0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 -------------------------0x000000 C 相电流与电压相角 合相相角 线频率 Reserved. A 相有功电能 B 相有功电能 C 相有功电能 合相有功电能 A 相无功电能 B 相无功电能 C 相无功电能 合相无功电能 Reserved. Reserved. 上一次 SPI 读出的数据 第七路 ADC 输入信号的有效值 温度传感器的输出 ABC 电压矢量和的有效值 计算公式 0x2C 0x2D 0x2E 0x2F 0x30 0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x3A 0x3B 0x3C 0x3D 0x3E 0x3F 0x40 r_SFlag r_WSPIData1 r_WSPIData2 RESERVED r_EFlag r_Epa2 r_Epb2 r_Epc2 r_Ept2 r_Eqa2 r_Eqb2 r_Eqc2 r_Eqt2 RESERVED RESERVED RESERVED r_LEFlag r_PFlag r_ChkSum1 r_InstADC7 r_PosEpa ---------------0x010000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 0x000000 ---------------0x000000 -----0x043D03 0x16BD03 -----0x000000 存放断相 同 0x2D Reserved. 电能寄存器的工作状态 A 相有功电能 B 相有功电能 C 相有功电能 合相有功电能 A 相无功电能 B 相无功电能 C 相无功电能 合相无功电能 Reserved. Reserved. Reserved. 基波电能寄存器的工作状态 有功和无功功率方向 校表数据校验寄存器 校表数据校验寄存器 正向为 0 负向为 1 三相四线模式下 三相三线模式下 同 Epa 同 Epb 同 Epc 同 Ept 同 Eqa 同 Eqb 同 Eqc 同 Eqt 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 但是读后清零 Urms= 相序 与合相功率因数相对应
1 T
∫
T
0
(ua + ub + uc ) 2 dt
SIG 等标志状态
上一次 SPI 写入的数据 也是上一次 SPI 写入的数据
第 7 路 ADC 采样数据输出 A 相正向有功电能寄存器
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